materi teknik tegangan tinggi

BAB II

TEGANGAN TINGGI

2.1 Umum

Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah,

sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegangan

tinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi

bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan

tinggi pada umumnya diperlukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi

yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada

peralatan tersebut.

Lingkup studi teknik tegangan tinggi mencakup semua masalah seperti studi

tentang korona, teknik isolasi, tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, proteksi

tegangan lebih, dan lain-lain. Dengan begitu banyaknya masalah yang mencakup

tegangan tinggi, maka dibutuhkanlah pengujian tegangan tinggi dengan maksud sebagai

berikut:

1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam

menemukan bahan isolasi yang lebih murah.

2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah

dikurangi volume isolasinya.

Universitas Sumatera Utara

3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk

menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan.

4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi

kerugian semasa pemeliharaan.

Perlunya pengujian tegangan tinggi seperti diuraikan di atas menuntut adanya

cabang studi tegangan tinggi yang membahas khusus pengujian tegangan tinggi. Studi ini

akan mempelajari cara kerja dan karakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan

prosedur pengujian yang telah distandarisasi.

Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegangan tinggi

adalah:

1. Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi ac,

pembangkit tegangan tinggi dc, dan pembangkit tegangan tinggi impuls.

2. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi dc, alat ukur

tegangan tinggi ac, dan alat ukur tegangan tinggi impuls.

3. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur

tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial.


2.2 Tegangan Tinggi AC

Dalam laboratorium diperlukan tegangan tinggi bolak-balik untuk percobaan dan

pengujian dengan arus bolak-balik serta untuk membangkitkan tegangan tinggi searah

dan pulsa. Trafo uji yang biasa digunakan untuk keperluan tersebut memiliki daya yang

lebih rendah serta perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya. Arus

primer biasanya disulang dengan ototrafo sedangkan untuk kasus khusus disulang dengan

pembangkit sinkron.

Hampir semua pengujian dan percobaan dengan tegangan tinggi bolak-balik

mensyaratkan nilai tegangan yang teliti. Hal tersebut umumnya hanya akan terpenuhi jika

pengukuran dilakukan pada sisi tegangan tinggi; untuk itu telah disusun berbagai cara

dalam mengukur tegangan tinggi bolak-balik.

Bentuk V(t) untuk tegangan tinggi bolak-balik sering menyimpang dari bentuk sinus.

Dalam teknik tegangan tinggi, nilai puncak V dan nilai efektif Vef memiliki arti yang

sangat penting :

dttVT

VT

rms ∫=0

2 )(1

Untuk pengujian tegangan tinggi besaran 2

∧

V didefinisikan sebagai tegangan uji. Di

sini diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih

dalam batas yang diijinkan. Untuk sinusoidal murni rmsVV =∧

2


2.3 Mekanisme Terjadinya Tegangan Tembus Listrik

Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektron-

elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Setiap

dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Pada gambar 2.1

ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring

sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam

dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada electron-elektron agar terlepas dari

ikatannya dan menjadi electron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu

beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor. Jika terpaan

elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama,

maka dielektrik akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai

isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau “breakdown”. Terpaan

elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik

tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan

dielektrik kE , maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah ≤ kE .

Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi kE , maka di dalam

dielektrik akan terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat membuat dielektrik

mengalami tembus listrik. Proses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi

bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi

tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag). Jadi tidak selamanya terpaan

elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi,

yaitu: (1) terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan


V E

Elektroda

Elektroda

Dielektrik

+

-

Gambar 2.1. Medan elektrik dalam Dielektrik

kekuatan dielektriknya dan (2) lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama

dengan waktu tunda tembus.

Tegangan yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut tegangan

tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besar tegangan yang

menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada

kekuatan dielektriknya.


BAB III

ELEKTRODA BOLA

3.1 Umum

Pengukuran tegangan tinggi dengan elektroda bola pada kenyataannya

dipengaruhi beberapa hal, salah satunya adalah keadaan udara. Dalam prakteknya,

keadaan udara saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu

hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut :

SVV^^

δ=

dimana :

^V = Tegangan sela bola pada saat pengujian (keadaan udara

sembarang)

^Vs = Tegangan tembus sela bola standar

δ = faktor koreksi udara

Faktor koreksi udara tergantung kepada suhu dan tekanan udara, besarnya adalah sebagai

berikut :


θ

δ+

=273

386,0 p

dimana:

θ = temperatur udara ( C0 )

p = tekanan udara (mmHg)

Sebenarnya kelembapan udara juga mempengaruhi tegangan tembus sela bola.

Jika hal ini diperhitungkan maka tegangan tembus elektroda bola menjadi sebagai berikut

:

hkVsV

^^ δ=

Dimana hk adalah faktor koreksi yang tergantung pada kelembapan udara.

Elektroda bola standar dibuat dengan dua bola logam yang memiliki diameter D

yang identik dan memiliki kaki penopang, alat pengoperasian, dan isolator pendukung.

Elektroda tersebut biasanya terbuat dari tembaga, kuningan, atau aluminium yang

belakangan ini banyak digunakan karena biayanya lebih murah. Diameter standar untuk

elektroda bola-bola tersebut yang adalah 2,5,10,12,15,25,50,75,100,150, dan 200cm.

Jarak-jarak itu dirancang dan dipilih seperti itu agar flashover terjadi di dekat titik percik.

Elektroda-elektroda itu dirancang dan diproduksi dengan hati-hati sehingga

permukaannya lembut dan memiliki kelengkungan yang seragam/sama. Jari-jari

kelengkungan diukur dengan sebuah spherometer di titik-titik yang bervariasi pada area


yang ditutup oleh sebuah lingkaran 0,3D mengelilingi titik percik tidak boleh berbeda

lebih %2± dari nilai nominal. Permukaan bola harus bersih dari debu, minyak, atau

pelapis lainnya. Permukaan elektroda harus dipertahankan tetap bersih tetapi tidak perlu

dipoles. Jika ada lubang yang terjadi akibat tembus listrik yang berulang-ulang maka

elektroda harus dibersihkan.

Untuk memperoleh ketelitian yang tinggi, hal-hal ini diperhatikan :

1. Jarak sela s< D

2. Jarak sela > 5 % jari-jari elektroda

3. Permukaan elektroda tidak boleh berdebu

4. Elektroda harus licin ( jangan dibersihkan dengan

pembersih yang kasar)

5. Jarak benda disekitar elektroda >(0,25+ V/300)m.

6. Untuk mencegah osilasi saat percikan , sebuah resistor

yang tahanannya > 500 ohm diserikan degan elektroda bola.

Konduktor tegangan tinggi juga dirancang sehingga tidak mempengaruhi konfigurasi

medan listrik. Sebuah tahanan seri biasanya dihubungkan di antara sumber listrik dan

elektroda bola untuk membatasi arus yang terjadi akibat tegangan tembus dan juga

memperkecil osilasi yang tidak diinginkan pada sumber tegangan listrik ketika terjadi

tegangan tembus (pada kasus tegangan impuls). Nilai resistansi seri bervariasi mulai dari

100 sampai 1000 Ωk untuk ac dan tidak lebih dari 500 Ω pada kasus tegangan impuls.

Pada kasus pengukuran tegangan puncak ac dan tegangan dc, tegangan yang diberikan

dinaikkan secara teratur sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.


3.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Dengan Elektroda Bola Standar

Elektroda bola standar digunakan untuk mengukur tegangan tinggi bolak-balik,

tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Diameter elektroda bola terdiri atas

beberapa ukuran standar, antara lain: 2 cm, 10 cm, 50 cm, bahkan ada yang berukuran

sampai 200 cm. Pada keadaan udara standar, yaitu temperatur udara ,200 C tekanan

udara 760 mmHg, dan kelembapan mutlak 11 ,3mgr tegangan tembus sela bola standar

untuk berbagai jarak sela bola adalah tetap. Pada umumnya sela bola lebih sering

digunakan untuk pengukuran tegangan tinggi daripada sela dengan medan yang homogen

maupun sela batang. Pada beberapa kasus tertentu sela dengan medan yang homogen dan

sela batang juga digunakan, namun ketelitiannya kurang. Tegangan tembus sela bola

khususnya, tidak tergantung pada bentuk gelombang tegangan tinggi dan oleh sebab itu

sangat cocok untuk semua jenis bentuk gelombang dari tegangan dc sampai impuls untuk

kenaikan waktu yang singkat ( kenaikan waktu sµ5,0≥ ). Sela bola juga dapat

digunakan untuk pengukuran tegangan puncak ac pada frekuensi radio (di atas 1 MHz).

Sela bola dibuat dari dua buah bola logam yang identik dengan diameter D dan

memiliki alat untuk mengoperasikan dan isolator pendukung. Sela bola dapat disusun

(1) secara horizontal dengan kedua sela bola dihubungkan pada sumber tegangan atau

salah satunya dibumikan atau (2) secara vertical dengan sela bola yang lebih rendah atau

letaknya di bawah dibumikan.


3.2.1 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Horizontal

Pada pengukuran dengan susunan elektroda bola secara horizontal, biasanya

disusun dengan kedua bola simetris pada tegangan tinggi di atas permukaan tanah. Kedua

bola yang digunakan harus memiliki bentuk dan ukuran yang identik. Bentuk susunan

elektroda bola secara horizontal dapat ditunjukkan pada gambar 3.1. Susunan horisontal

digunakan untuk diameter D < 50 cm dengan rentang tegangan yang lebih rendah

sedangkan untuk diameter yang lebih besar digunakan susunan vertikal yang mengukur

besar tegangan terhadap bumi. Tegangan yang akan diukur dilewatkan antara kedua sela

bola dan jarak atau sela S diantara kedua bola tersebut memberikan suatu ukuran dari

besarnya tegangan tembus.

Pada kasus nilai tegangan puncak ac dan pengukuran tegangan dc, tegangan yang

dipakai secara keseluruhan dinaikkan sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.

S

D

Gambar 3.1. Susunan Elektroda Bola Secara Horisontal


3.2.2 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal

Susunan elektroda bola secara vertikal lebih sering digunakan pada pengukuran

tegangan tinggi. Berbeda dengan elektroda yang disusun secara horizontal yang lebih

sering digunakan pada pengukuran tegangan yang relative lebih rendah. Bentuk susunan

elektroda bola secara vertikal dapat dilihat pada gambar 3.2. Isolasi yang menopang bola

di bagian atas harus berjarak kurang dari 0,5 D dengan D adalah diameter. Elektroda bola

itu disokong oleh sebuah kaki logam yang bersifat konduktif yang tidak lebih dari 0,2 D

dan paling sedikit sebesar D( sehingga titik percik sekurang-kurangnya berjarak 2 D dari

ujung yang lebih rendah isolator bagian atas).

Tegangan tinggi harus tidak boleh lewat dekat dengan elektroda yang ada di atas.

Idealnya tegangan tersebut harus dialirkan dari kaki elektroda menjauh melalui sebuah

bidang datar yang tegak lurus dengan kaki paling tidak 1 D dari elektroda. Elektroda yang

terletak di bawah harus berjarak paling sedikit 1,5 D di atas permukaan tanah.

S

D

Gambar 3.2. Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal


3.3. Pengaruh Objek Sekitar Terhadap Pengukuran Elektroda Bola-Bola

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi tegangan tembus pada pengukuran

dengan elektroda bola diantaranya adalah:

(1) objek di sekitar elektroda bola,

(2) kondisi dan kelembapan udara,

(3) penyinaran dengan ultra-violet atau sinar x,

(4) polaritas dan kenaikan waktu gelombang tegangan.

Tugas Akhir ini membahas bagaimana pengaruh keberadaan objek-objek di sekitar

elektroda bola terhadap pengukuran tegangan tinggi dengan menggunakan elektroda

bola-bola. Pengaruh jarak objek sekitar terhadap elektroda bola diperlihatkan pada

gambar 3.3.

Gambar 3.3. Objek disekitar elektroda bola

Elektroda Bola

Objek Sekitar


Jika objek sekitar diletakkan pada jarak tertentu dengan elektroda bola maka akan

terbentuk kapasitansi antara elektroda bola dengan objek yang ada di sekitar seperti pada

plat sejajar seperti pada gambar 3.4.

Gambar 3.4. Kapasitansi antara elektroda bola dengan objek sekitar

Besar kapasitansi yang terbentuk adalah:

C= dAε

Dimana : A = luas permukaan bola

ε = permitivitas hampa udara 8.825 x 10.12

d = jarak bola dengan objek sekitar.

C= kapasitansi


Kapasitansi yang terbentuk antara objek sekitar dengan elektroda bola mempengaruhi

tegangan tembus pada selabola. Yang disebabkan oleh medan .listrik dari elektroda bola

ke objek sekitar. Jika jarak elektroda bola dengan objek sekitar semakin besar maka

kapasitansi yang terbentuk antara elektroda dengan objek semakin kecil, maka arus bocor

yang terbentuk antara elektroda bola ke objek juga semakin kecil.

3.3.1. Distribusi Medan Listrik dari Elektroda Bola ke Objek Sekitar

Ukuran terpaan elektrik pada suatu dielektrik ialah kuat medan elektrik yang

sangat penting untuk ditentukan dalam teknologi tegangan tinggi. Yang dimaksudkan

dengan ketahanan elektrik dari suatu bahan isolasi ialah nilai kuat medan yang masih

diijinkan pada kondisi-kondisi tertentu seperti misalnya jenis tegangan, tempo penerpaan,

suhu atau kelengkungan elektroda. Batas ketahanan elektrik medium isolasi akan tercapai

jika nilai kuat medan tembus bahan tersebut telah terlampaui pada sembarang titik.

Karena itu maka penentuan kuat medan maksimum memiliki arti yang sangat penting.

Lintasan garis-garis medan elektrik ditentukan oleh arah kuat medan elektrik E.

Garis-garis medan tersebut ortogonal terhadap garis-garis ekipotensial pada setiap titik

dan tegak lurus pula terhadap permukaan elektroda. Jika pada bidang batas antara dua

dielektrik tidak terdapat muatan-muatan permukaan maka komponen normal kuat medan

berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik bahan isolasi. Di sisi lain komponen

tangensial dari kuat medan elektrik bernilai kontinu di sepanjang bidang batas.


Gambar 3.5 Contoh untuk medan dua dimensi dengan garis medan dan garis

ekuipotensial

Daerah yang dicakup oleh garis-garis medan yang berdekatan (lihat gambar 3.5)

memiliki fluksi elektrik yang sama sebesar Q∆ = Elb or εε dengan l adalah panjang

konfigurasi yang tegak lurus terhadap bidang dan εεε =or adalah konstanta dielektrik

dari medium dielektrik. Jika perbedaan potensial (yang konstan) antara dua garis

ekipotensial yang berdekatan diganti dengan E ( ingat aE=∆ϕ ) maka diperoleh kondisi

berikut: .kab

r =ε

Elektroda Bola

Objek sekitar

ϕ∆Q∆

ekuipotensial

garis medan

b a

Q∆


Konstanta dapat dipilih sembarang. Dalam contoh yang diberikan, diandaikan b/a = 1.

Dengan menyatakan jarak antara dua garis ekipotensial yang berdekatan pada sembarang

titik adalah a, maka kuat medan elektrik pada titik tersebut adalah:

.1

1 aE ϕ∆

=

Jika m adalah jumlah garis ekipotensial yang digambarkan(tidak termasuk permukaan

elektroda), maka tegangan total yang diterapkan adalah:

.)1( ϕ∆+= mV

Jika garis medan yang digambarkan antara elektroda-elektroda ialah n, maka fluksi

elektrik total dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

.11 ElbnQ roεε=

Dengan substitusi yang sesuai maka diperoleh kapasitansi konfigurasi sebagai berikut:

.1 olk

mn

VQC ε

+==

3.3.2. Distribusi Tegangan akibat Pengaruh Jarak Objek Sekitar terhadap

Elektroda Bola

Pengaruh objek di sekitar elektroda bola dapat diumpamakan dengan

memasukkan elektroda bola ke dalam silinder yang mempunyai diameter B. Diamati

bahwa terjadi penurunan tegangan tembus . Penurunan itu sebesar

∆V = m log (B/D) + C (7.21)

dimana


∆V = penurunan persentase,

B = diameter silinder ,

D = diameter bola,

S = jarak sela bola, m dan C adalah konstanta

Penurunan ini kurang dari 2% untuk S/D ≤ 0,5 danB/D ≥ 0.8. Bahkan untuk S/D ≈ 1,0

dan B/D ≥ 1.0 pengurangan itu hanya 3%. Oleh karena itulah, jika spesifikasi tentang

kelonggaran erat diamati kesalahannya dalam toleransi dan akurasi ditetapkan.


materi teknik tegangan tinggi

Engineering